轻型
摘要
随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程。
首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。
文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。
最后使用软件对机械手的手部实现运动仿真。
关键词：机械手；运动仿真；液压传动；液压缸；
The light stable motion transports manipulator's design and the movement simulation
Abstract
The applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automation. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator.
The first，The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.
This article system elaboration industry manipulator's design theory and method. The comprehensive exhaustive discussion has transported manipulator's hand, the wrist, the arm ，the fuselage and so on ,which the major structural design computation.
Finally uses the software to carry out the movement simulation for manipulator's hand.
Keywords: manipulator; motion simulation; hydraulic power transmission；
Hydraulic cylinder
目录
中文摘要 (1)
英文摘要 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。主要符号表 . (7)
1 绪论 (1)
1.1前言 (1)
1.2 工业机械手的简史 (1)
1.3工业机械手在生产中的应用 (3)
1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 (3)
1.3.2 在实现单机自动化方面 (3)
1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 (3)
1.4 机械手的组成 (4)
1.4.1 执行机构 (4)
1.4.2 驱动机构 (4)
1.4.3 控制系统分类 (5)
1.5工业机械手的发展趋势 (5)
1.6 本文主要研究内容 (6)
1.7 本章小结 (6)
2机械手的总体设计方案 (7)
2.1 机械手基本形式的选择 (7)
2.2机械手的主要部件及运动 (7)
2.3驱动机构的选择 (8)
2.4 机械手的技术参数列表 (8)
2.5 本章小结 (8)
3 机械手手部的设计计算 (9)
3.1 手部设计基本要求 (9)
3.2 典型的手部结构 (9)
3.3机械手手抓的设计计算 (9)
3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 (9)
3.3.2 手抓的力学分析 (10)
3.3.4 夹紧力及驱动力的计算 (11)
3.3.5 手抓夹持范围计算 (12)
3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 (13)
3.5弹簧的设计计算 (14)
3.6 本章小结 (16)
4 腕部的设计计算 (17)
4.1 腕部设计的基本要求 (17)
4.2 腕部的结构以及选择 (17)
4.2.1典型的腕部结构 (17)
4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 (18)
4.3 腕部的设计计算 (18)
4.3.1 腕部设计考虑的参数 (18)
4.3.2 腕部的驱动力矩计算 (18)
4.3.3 腕部驱动力的计算 (19)
4.3.4 液压缸盖螺钉的计算 (20)
4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉 (21)
4.4 本章小结 (22)
5 臂部的设计及有关计算 (23)
5.1 臂部设计的基本要求 (23)
5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 (24)
5.2.1 手臂的典型运动机构 (24)
5.2.2 手臂运动选择机构的 (24)
5.3 手臂直线运动的驱动力计算 (24)
5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 (24)
5.3.2 手臂惯性力的计算 (26)
5.3.3 密封装置的摩擦阻力 (26)
5.4 液压缸工作压力和结构的确定 (26)
5.5 本章小结 (28)
6 机身的设计计算 (29)
6.1 机身的整体设计 (29)
6.2 机身回转机构的设计计算 (30)
6.3 机身升降机构的计算 (34)
6.3.1 手臂偏重力矩的计算 (34)
6.3.2 升降不自锁条件分析计算 (35)
6.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 (36)
6.4 轴承的选择方案 (36)
6.5 本章小结 (37)
7ADAMS 模型的建立与仿真 (38)
7.1虚拟样机技术 (38)
7.2 ADAMS软件 (38)
7.3 手部模型的建立 (40)
7.4 本章小结 (44)
8 结论 (45)
主要符号表
N F 手指夹紧力 N D 弹簧中径 mm
1D 弹簧内径 mm
2D 弹簧外径 mm C 弹簧旋绕比 n 弹簧有效圈数
M 转动缸的回转力矩 N m ? ρ 偏重力臂 mm
M 偏 偏重力矩 N m ?
t 螺钉间距 mm
0Q F 螺钉承受的拉力 N
Q F 工作载荷 N
'
s
Q F 预紧力 N φ启 转动缸起动角 度
ω 转动缸转动角速度 rad s
1 绪论
1 绪论
1.1前言
用于再现人手的的功能的技术装置称为[]1
机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为[]2
工业机械手。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定
重视。
的效果，受到机械工业的[]3
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2 工业机械手的简史
现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应
产品。
产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化[]4
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。
1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。
德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。
瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。
随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
1.3工业机械手在生产中的应用
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛[]5
广泛。
在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。
1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线
一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。
加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。
1.3.2 在实现单机自动化方面
各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。
1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面
模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机
械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。
1.4 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成[]6
组成。
1.4.1 执行机构
（1）手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。
传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
（2）腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
（4）行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。
1.4.2 驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。
1.4.3 控制系统分类
在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。
1.5工业机械手的发展趋势
(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业
化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行 列之[][]710 中。
1.6 本文主要研究内容
本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。进而运用ADAMS 软件对机械手的手部及升降机构作了运动仿真分析。掌握了机械仿真的一般过程。
1.7 本章小结
本章简要的介绍了机械手的基本概念。在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。
2机械手的总体设计方案
2机械手的总体设计方案
本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及ADAMS软件进行简单的运动仿真。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务，然后通过ADAMS软件对机械手的手部进行简单的运动仿真。
2.1 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因
型。图1.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是此本设计采用圆柱坐标[]11
将传送带A上的物品搬运到传送带B。
图1.1 机械手基本形式示意
2.2机械手的主要部件及运动
在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。
本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压
180缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转0
西安工业大学学士学位论文
（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m 。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。
2.3驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。
2.4 机械手的技术参数列表
一、用途：搬运:用于车间搬运
二、设计技术参数:
1、抓重:60Kg (夹持式手部)
2、自由度数:5个自由度
3、座标型式:圆柱座标
4、最大工作半径:1600mm
5、手臂最大中心高:1248mm
6、手臂运动参数
伸缩行程：1200mm
伸缩速度：83mm/s
升降行程：300mm
升降速度：67mm/s
回转范围:0
0180
7、手腕运动参数
回转范围: 0
0180
2.5 本章小结
本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将以次进行。
3 机械手手部的设计计算
3 机械手手部的设计计算
3.1 手部设计基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）?γ，以便于抓取工件。
（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。
（4）应保证手抓的夹持精度。
3.2 典型的手部结构
（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。
（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。
（3）平面平移型。
3.3机械手手抓的设计计算
3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置
本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角
γ?=0
60，夹取重量为60Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移
型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。
通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。
3.3.2 手抓的力学分析
下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a ）为常见的滑槽杠杆式手部结构。
(a) (b) 图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1——手指 2——销轴 3——杠杆
在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F ，并通过销轴中心O 点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F 1和F 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo 和2oo 并指向o 点，交1F 和
2F 的延长线于A 及B 。
由x F ∑=0 得 12F F = y F ∑=0 得 12cos F
F α
=
'11F F =- 由01M ∑()F =0 得'1N F F =h
cos a
h α
=
F=2cos N b
F a
α （3.1）
式中 a ——手指的回转支点到对称中心的距离（mm ）.
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。
由分析可知，当驱动力F 一定时，α角增大，则握力N F 也随之增大，但α角过大会导致
拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=030 0
40。 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算： 123N F K K K G ≥ （3.2） 式中 1K ——安全系数，通常1.2 2.0；
2k ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估21b
K a
=+其中a ，重力方向的最大上升加速度；max
v a t =
响
max v ——运载时工件最大上升速度
t 响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03 0.5s 3K ——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G ——被抓取工件所受重力（N ）。
表3-1 液压缸的工作压力
计算：设a=100mm,b=50mm,0
10<α<0
40;机械手达到最高响应时间为0.5s ，求夹紧力N F 和
驱动力F 和 驱动液压缸的尺寸。
(1) 设1 1.5K =
21b K a =+ =0.10.519.8
+
=1.02 30.5K = 根据公式，将已知条件带入：
∴ N F =1.5?1.020.5588449.8N N ??= （2）根据驱动力公式得： ()2
02100cos30449.850
F ?=?计算=1378N （3）取0.85η=
1378
16210.85F F N η=
=
=计算
实际
（4）确定液压缸的直径
D
()2
24
F D d p π
=
- 实际
选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8 1MPa,
∴0.587
=
=
根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm 则活塞杆内径为:
D=63?0.5=31.5mm ，选取d=32mm 3.3.4 手抓夹持范围计算
为了保证手抓张开角为0
60，活塞杆运动长度为34mm 。
手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a ）所示，根据机构设
计，它的最小夹持半径1R 40=，当张开0
60时，如图3.2（b ）所示，最 大夹持半径2R 计算如下：
0021003040cos3090R tg =?+≈
∴机械手的夹持半径从4090mm
（a） (b)
图3.2 手抓张开示意图
3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算
机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并
有足够的抓取能[]12
力。
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。
机械手的夹持范围为80mm 180mm。
冲压搬运机械手的设计 设计说明书
摘要 本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手硬件和软件的组成，即PLC控制的气动机械手的系统工作原理，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点，PLC控制的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。 关键词：工业机器人机械手气动可编程序控制器（PLC）
Structural Design of Multi-purpose Pneumatic Robot Abstract At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart, the manipulator uses PLC to control. The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart. What’s more, the paper workout the control program of the PLC. KEY WORDS:industrial robot manipulator pump air pressure drive PLC
机械与装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化学生： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)
机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
摘要 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本次毕业设计拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。用于分捡大小球的机械装置。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。PLC应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试等内容。本次毕业设计着重在系统设计和程序设计。 关键词：机械手 PLC 大小球分拣系统
ABSTRACT The positive role of the robot is increasingly being recognized, first, it can partially replace human labor and to achieve the production requirements, follow certain procedures, time and location of the workpiece to complete the transfer. Because it can greatly improve the working conditions of workers, industrial production to accelerate the pace of mechanization and automation. Therefore, the attention from all the advanced units and put a lot of manpower and resources to research and application. Especially in the high-temperature, high pressure, dust and noise of the occasion, applied more widely. In China, the modern years have rapid development, and achieved certain results, the importance attached by the various industrial sectors. In the production process, often the product of the sorting line, this graduation design is planned to develop material handling robot, using Siemens S7-200 series PLC, the mechanical hand up and down, left and right, and grab control of movement. The size of the ball for the sorting machinery. We use programmable technology, combined with the appropriate hardware devices, control the mechanical hand to complete a variety of actions. PLC application system design including hardware design, software design, construction design and installation and so on. This course emphasizes the system design and programming. Key word:manipulator PLC size of zhe ball sorting system
上下料机械手课程设计说明书
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼： 1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练
地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标 准和规范等。 4． 进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合 素质。 二．主要内容 表1精锻机上料机械手主要技术参数 手臂运动形式 （ 圆柱坐标式 抓取重量 60kgf 自由度 4个 手 手臂运动行程和速度 水平伸缩 500mm 设定点2 升降 600mm 设定点2 左右旋转 200度 设定点3 手腕回转和速度180度 设定点2 手指夹持范围 四种规格 90-120 定位方式和定位精度 机械挡块 +-1mm 控制方式 点位程控，开关板预选 驱动方式 液压 kgf/cm2
毕业设计（论文） 标题：搬运机械手的设计 学生姓名：蔡蔺 系部：自动控制系 专业：机电 班级：机电1084 指导教师：沈涛
主要符号表 N F 手指夹紧力 N D 弹簧中径 mm 1D 弹簧内径 mm 2D 弹簧外径 mm C 弹簧旋绕比 n 弹簧有效圈数 M 转动缸的回转力矩 N m ? ρ 偏重力臂 mm M 偏 偏重力矩 N m ? t 螺钉间距 mm 0Q F 螺钉承受的拉力 N Q F 工作载荷 N ' s Q F 预紧力 N φ启 转动缸起动角 度 ω 转动缸转动角速度 rad s
1 绪论 1.1前言格式错误重新排版 机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，用于再现人手的的功能的技术装置称为[]1 按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用工业机械手。 的机械手被称为[]2 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定 重视。 的效果，受到机械工业的[]3 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 1.2 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应 产品。 产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化[]4 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
毕业设计（说明书） 题目电机壳体搬运机械手 专业机械设计制造及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 论文字数 完成日期2010年5月
机械设计制造及其自动化 摘要：随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步。尤其是随着机械结构的优化，气动、液压技术的成熟，控制元件的发展和控制方式的不断改进和创新，机械手的动作精确性、控制灵活性和工作可靠性得到了明显的改善。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了突出贡献，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对PLC的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键字：机械手，液压驱动，PLC（可编程控制器）
Abstract:With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development. Especially with the improvement of the structure of the machine, the maturity of pneumatics and hydraulics, and the constant improvement of the control element such as the singlechip, PLC, the motion controller, and soon, and the ceaselessly ameliorative and innovative control mode, the precision, delicacy and reliability of the manipulator has been improved expressly, which contributed to alleviating the worker’s labor intensity and difficulty, boosting the working efficiency and quality, reducing cost, as to play an extremely important part in the development and income of the corporations. The subject is a practical item where the mechanics and electrics are integrated very closely. The writer has made a necessary discussion in the application of PLC, the optimize of mechanical structure and the study of control mode and researches into the mechatronics. the writer summarizes the whole thesis and points out the amelioration, perspective and developing direction of the manipulator. Key Words: manipulator, the hydraulic pressure drive, PLC(Programmable Logic Controller)
目录 前言 1 课题的基本要求 (4) 2 总体设计 (5) 2.1 PLC选型 (5) 2.2 I/O点及地址分配 (7) 2.3 PLC端子接线 (9) 2.4 操作面板示意图 (11) 3 PLC程序设计 (12) 3.1 设计思想 (12) 3.2 显像管搬运机械手顺序功能图 (13) 3.3 PLC梯形图 (15) 3.3.1自动梯形图 (15) 3.3.2复位梯形图 (25) 3.3.3手动梯形图 (26) 4 程序调试说明............. (28) 结束语 (29) 参考文献 (30)
前言 1、PLC的概念 可编程控制器（Programmable Controller）是以微处理器为核心，综合了微电子技术，自动化技术，网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。英文缩写为PC或PLC。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更得到用户的好评。因而在机械、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC,机器人和CAD/CAM）。 2、PLC的特点 （1）可靠性高，抗干扰能力强 PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 (2)硬件配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 (3)PLC的安装接线方便，一般用接线端子连接外部接线。 (4)PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器 可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (5)易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程
专业课程设计说明书 ?目录
第1章课题规划?错误!未定义书签。 1、1 课题背景分析 ......................................................... 错误!未定义书签。 1、２设计任务书?错误!未定义书签。 第２章功能分析 ..................................................................... 错误!未定义书签。 2、1 设计任务功能分析 ................................................. 错误!未定义书签。 2、1、1 总功能提炼 ............................................... 错误!未定义书签。 2、１、2 功能分解?错误!未定义书签。 2、１、３功能结构分析及功能结构图绘制?错误!未定义书签。 2、2 本章小结?错误!未定义书签。 第３章系统原理方案设计 ..................................................... 错误!未定义书签。 3、1功能单元求解?错误!未定义书签。 3、1、1分功能求解 ............................................. 错误!未定义书签。 3、1、2 系统原理方案综合求解?错误!未定义书签。 ３、１、３方案优化及评价 ............................... 错误!未定义书签。 3、２本章小结?错误!未定义书签。 第4章总体设计 ................................................................... 错误!未定义书签。 4、1 系统总体结构草图 ................................................. 错误!未定义书签。 4、2 本章小结?错误!未定义书签。 第5章总结 ............................................................................. 错误!未定义书签。参考文献?错误!未定义书签。
机械与装备工程学院 课程设计说明书 （2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
第一章绪论 0 1.1 机械手的应用现状 0 1.2 机械手研究的目的、意义 0 1.3 设计时要解决的几个问题 0 第二章机械手总体方案的设计 (2) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (2) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (2) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (4) 3.1 坐标形式和自由度选择 (4) 3.2 执行机构 (4) 3.3 驱动系统 (5) 3.4 控制系统 (6) 第四章结构设计及优化 (7) 4.1手部夹紧气缸的设计 (7) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (7) 4.1.2 确定气缸直径 (8) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (8) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (8) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (9) 4.2手臂结构优化设计 (9) 4.2.1问题描述 (9) 4.2.2设计分析 (9) （1）抗拉强度条件 (10) （2）抗剪强度条件 (10) （3）刚度条件 (11) （4）结构尺寸限制 (11) 4.2.3建立数学模型 (11) 4.2.4优化计算 (12) 4.2.5优化结果分析 (14) 第五章 Adams运动仿真 (15) 总结与展望 (18)
机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
专业课程设计说明书
目录 第1章课题规划 (1) 1.1 课题背景分析 (1) 1.2 设计任务书 (3) 第2章功能分析 (4) 2.1 设计任务功能分析 (4) 2.1.1 总功能提炼 (4) 2.1.2 功能分解 (4) 2.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制 (4) 2.2 本章小结 (5) 第3章系统原理方案设计 (7) 3.1 功能单元求解 (7) 3.1.1 分功能求解 (7) 3.1.2 系统原理方案综合求解 (7) 3.1.3 方案优化及评价 (7) 3.2 本章小结 (7) 第4章总体设计 (9) 4.1 系统总体结构草图 (9) 4.2 本章小结 (14) 第5章总结 (15) 参考文献 (17)
第1章课题规划 1.1课题背景分析 从1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机械手已经发展了三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始的，然后经历了60年代的数控机械手，在1978年时机械手才‘真正开始得到研究和应用，到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注，并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步，人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具，机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的范围延伸，这就要求机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需，社会发展的必然。作为一门发展迅速的前沿学科，机械手一方面涉及的领域广泛，交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速，不断出现需要研究的新问题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中，机械手的应用也因此变得越来越广泛；已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求。 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车
搬运机械手运动控制系统设计
搬运机械手运动控制系统设计 第一部分：题目设计要求。 一、搬运机械手功能示意图 二、基本要求与参数 本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹持结构，如图1所示，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手经过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A 到B 的搬运工作，具体操作顺序：逆时针回转(机械手的初始位置在A 与B 之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升，机械手的工作臂都设有限位开关SQ i 。 A B 工SQ 1 SQ 2 SQ 3 SQ 4 SQ 5 SQ 6 夹松
设计参数： （1）抓重:10Kg （2）最大工作半径：1500mm （3）运动参数： 伸缩行程：0-1200mm； 伸缩速度：80mm/s； 升降行程：0-500mm； 升降速度：50mm/s 回转范围：0-1800 控制器要求： （1）在PLC、单片机、PC微机或者DSP中任选其一； （2）具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。 三、工作量 （1）驱动及传动方案的设计及部件的选择； （2）二指夹持机构的设计及计算； （3）总体控制方案及控制流程的设计； （4）设计说明书一份。 四、设计内容及说明 （1）机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及传动方案，画出方案原理框图。 （2）末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定
位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。 （3）控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。 第二部分：设计过程 搬运机械手运动控制系统设计
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
机电工程学院 机电一体化系统设计 课程设计 设计题目： 专业： 学号： 姓名： 指导老师：
毕业论文（设计）任务书 一、题目：搬运机械手的结构和控制系统设计 二、研究容与目标： 本设计主要的研究容是 1. 用proe绘制搬运机械手三维立体图 2. 用proe转配搬运机械手及制作仿真动画并生成仿真视频制作 3. 利用PLC实现控制系统设计 4. 设计说明书（1份） 目标：让搬运机械手能搬运物品，掌握机械手的设计原理和控制过程三、研究方法：通过不断地查找资料，研究工业机械手的作用，并不断分析最后制作出工业上需要的机械手。 四、主要参考文献：(5篇以上) [1]明保，吕春红等主编.机械手的组成机构及技术指标的确定.高等专科学 校学报，2004.120-134 [2]超主编.气动通用上下料机械手的研究与开发.科技大学，2003.103-121 [3]陆祥生，绣莲主编.机械手.中国铁道,1985.56-58 [4]建编.工业机械人.：理工大学,1992.76-79 [5]允文主编.工业机械手设计.机械工业,1996. [6]蔡自兴主编.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001.12-15 [7]金茂青，曲忠萍，桂华等主编.国外工业机械人发展的态势分析.机械人 技术与应用,2001.23-24 [8]王雄耀主编.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密 封,1999.31-32 [9]明主编.单臂回转机械手设计.制造技术与机床，2004. 64-66 [10]军，封志辉主编.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.27-28
目录 第一章绪论 (2) 1.1工业机器人的简介 (2) 1.2机械手概述 (3) 1.3工业机械手的发展趋势 (4) 1.4 国外研究现状和趋势 (5) 1.6 液压系统传动原理 (7) 第二章电机驱动和液压驱动混合式搬运机械手方案设计 (8) 2.1电动驱动和液压驱动式搬运机械手的组成及各部分关系概述 (8) 2.2液压式搬运机械手方案设计 (8) 2.3机械手的系统工作原理及组成 (9) 2.4机械手手臂的结构设计 (13) 第三章尺寸设计与校核 (18) 3.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核 (18) 3.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核 (19) 3.3 腰部传动负载作回转运动的设计与校核 (20) 第四章机械手的PLC控制系统设计 (22) 4.1 PLC的工作原理 (22) 4.2 可编程序控制器的选择及工作过程 (23) 4.3 可编程序控制器的使用步骤 (24) 4.4 机械手可编程序控制器控制方案 (25) 第五章四自由度机械手运动仿真 (27) 5.1运动学仿真过程及定义分析 (27) 结论 (30) 致 (30)
沈阳理工大学课程设计专用纸 目录 前言 (1) 1 课题的基本要求 (4) 2 总体设计 (5) 2.1 PLC选型 (5) 2.2 I/O点端子接线图 (6) 2.3 操作面板示意图 (9) 3 PLC程序设计 (10) 3.1 设计思想 (10) 3.2 显像管搬运机械手顺序功能图 (11) 3.3 PLC梯形图 (14) 3.3.1主程序梯形图 (14) 3.3.2通用程序梯形图 (14) 3.3.3自动程序梯形图 (15) 3.3.4 手动程序梯形图 (20) 3.3.5 复位程序梯形图 (22) 4 程序调试说明............. (24) 4.1 自动模拟调试 (24) 4.2 复位模拟调试 (26) 结束语 (27) 参考文献 (28)
前言 1、PLC的概念 可编程控制器（Programmable Controller）是以微处理器为核心，综合了微电子技术，自动化技术，网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。英文缩写为PC或PLC。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更得到用户的好评。因而在机械、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC,机器人和CAD/CAM）之一。 2、PLC的特点 （1）可靠性高，抗干扰能力强 PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 (2)硬件配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 (3)PLC的安装接线方便，一般用接线端子连接外部接线。 (4)PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器 可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (5)易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程
搬运机械手结构设计及运动仿真毕业设计 1.1课题背景 当前国内机械的应用主要是机床加工，锻造，热处理等方面，不能满足一些产品发展的需要。国外机械制造过程中，工业机械手应用很广泛，能够帮助人们完成很多产品的上下料过程。在这种国内外的发展机械手的背景下，我国要加大机械手的研究和应用。机械手是一种新型的工业自动装置，主要是在机械化、自动化生产过程中发展起来，并且在以后能够有个很好的发展状况。在现代自动化、机械化生产过程中，机械手是广泛运用于自动生产线中，机械手的研究开发和生产已成为创新科技领域中，快速发展并且长期发展的一个新兴的创新技术。机械手这个技术的发展，能够使机械手能更好地把机械化、自动化充分的结合起来。机械手也是有缺点的，不能像手一样的灵活，但它能够模仿人的动作，不间歇的进行长期工作，不用像人工一样考虑一些问题，能够快速工作，提高生产效率。 通过机械手能很大程度上提高劳动生产率，并能够很好的降低成本。伴随着我国工业化的生产速度加快，机械的自动化要求程度款速提高，实现工件的装卸、转向、输送或者操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已经引起人们的重视[1]。机械手从结构还有结构形式上看简单，专用性和实用性强，简单的说就是机械的上下料装置，是通过该机床的专用机械手[2]。工业技术的不断发展，造就了可以通过程序进行控制的机械手，它能够按照程序编写要求，很好的完成显示工作中的重复操作，而且它的使用范围也是相当广泛的，我们也可以称它普通机械手。因为普通机械手的价格便宜，可操作性比较高，可以运用的方面比较广。普通机械手如图1-1，图1-2 图1-1 工业机械手
摘要 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。 搬运机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，在本设计中，通过对机械手手部结构的设计，臂部结构的设计，以及液压系统的设计，实现四自由度的运动，完成了搬运机械手的系统结构设计。 关键词：搬运机械手；结构设计；液压系统；四自由度
ABSTRACT With the popularization and development of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive, electronics, machinery, food, medicine and other fields of production lines or cargo transport, can be better to save energy and improve the efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development. Manipulator is a kind of automatic positioning control and can be programmed to change the multi-function machines, In this design, through the mechanical hand arm structure design, structure design, and the design of the hydraulic system, to achieve four degrees of freedom movement,completed the manipulator system structure design. Key words：manipulator；structure design ；hydraulic system ；four degrees of freedom movement